熱工基礎(chǔ)第一章

熱工基礎(chǔ)第一章1第一頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期三第一章基本概念1-1

熱機(jī)、工質(zhì)、熱源與熱力系統(tǒng)熱機(jī)：能將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的機(jī)器。如蒸汽機(jī)、蒸汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、內(nèi)燃機(jī)和噴氣發(fā)動機(jī)等。

2第二頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期三工質(zhì)：實現(xiàn)熱能和機(jī)械能之間轉(zhuǎn)換的媒介物質(zhì)。

熱源：本身熱容量很大，且在放出或吸收有限量熱量時自身溫度及其它熱力學(xué)參數(shù)沒有明顯變化的物體。

例如空氣、燃?xì)?、水蒸氣等。例如鍋爐、循環(huán)水池、大氣等。提供熱量的熱源稱為高溫?zé)嵩?；吸收熱量的熱源稱為低溫?zé)嵩础?第三頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期三熱力系統(tǒng)：

在工程熱力學(xué)中，通常選取一定的工質(zhì)或空間作為研究的對象，稱之為熱力系統(tǒng)，簡稱系統(tǒng)。系統(tǒng)以外的物體稱為外界或環(huán)境。系統(tǒng)與外界之間的分界面稱為邊界。

邊界閉口系統(tǒng)（1）閉口系統(tǒng)

與外界無物質(zhì)交換的系統(tǒng)。系統(tǒng)的質(zhì)量始終保持恒定，也稱為控制質(zhì)量系統(tǒng)。

外界4第四頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期三（2）開口系統(tǒng)

與外界有物質(zhì)交換的系統(tǒng)。系統(tǒng)的容積始終保持不變，也稱為控制容積系統(tǒng)。

進(jìn)口出口（3）絕熱系統(tǒng)

與外界沒有熱量交換的系統(tǒng)。（4）孤立系統(tǒng)

與外界既無能量（功、熱量）交換又無物質(zhì)交換的系統(tǒng)。5第五頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期三1-2

平衡狀態(tài)及基本狀態(tài)參數(shù)1.平衡狀態(tài)（1）狀態(tài)（熱力狀態(tài)）

系統(tǒng)在某一瞬間所呈現(xiàn)的宏觀物理狀況稱為系統(tǒng)的熱力狀態(tài)，簡稱狀態(tài)。

（2）平衡狀態(tài)

系統(tǒng)內(nèi)部各處的宏觀性質(zhì)均勻一致、不隨時間而變化的狀態(tài)稱為平衡狀態(tài)。

系統(tǒng)內(nèi)部不存在熱量傳遞，即各處的溫度均勻一致的狀態(tài)稱為熱平衡狀態(tài)。6第六頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期三（4）非平衡狀態(tài)

系統(tǒng)內(nèi)部存在不平衡勢（溫差或壓差），因此存在能量或質(zhì)量傳遞的宏觀物理狀況。非平衡狀態(tài)不能用狀態(tài)參數(shù)來描寫。

狀態(tài)參數(shù)的特點(diǎn)：（3）狀態(tài)參數(shù)

用于描述系統(tǒng)平衡狀態(tài)的物理量稱為狀態(tài)參數(shù)，如溫度、壓力、比體積等。狀態(tài)確定，狀態(tài)參數(shù)的數(shù)值也確定，反之亦然。7第七頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期三2.基本狀態(tài)參數(shù)

工程熱力學(xué)中常用的狀態(tài)參數(shù)有壓力、溫度、比體積、比熱力學(xué)能、比焓、比熵等，其中可以直接測量的狀態(tài)參數(shù)有壓力、溫度、比體積，稱為基本狀態(tài)參數(shù)。

（1）壓力單位面積上所受到的垂直作用力（即壓強(qiáng)）單位:Pa（帕），1Pa=1N/m2，

1MPa=103

kPa=106

Pa

8第八頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期三常用非SI壓力單位：

1bar（巴）=105

Pa

1atm（標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）=1.013105

Pa

1at

（工程大氣壓）=0.981105

Pa

1mmH2O（毫米水柱）=9.81Pa1mmHg

（毫米汞柱）=133.3Pa

9第九頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期三壓力測量：絕對壓力p、大氣壓力pb、表壓力pe、真空度pv

只有絕對壓力p

才是狀態(tài)參數(shù)。10第十頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期三（2）溫度溫度是反映物體冷熱程度的物理量。溫度的高低反映物體內(nèi)部微觀粒子熱運(yùn)動的強(qiáng)弱。當(dāng)兩個溫度不同的物體相互接觸時，它們之間將發(fā)生熱量傳遞，如果沒有其它物體影響，這兩個物體的溫度將逐漸趨于一致，最終將達(dá)到熱平衡（即溫度相等）。所以溫度是熱平衡的判據(jù)。1）溫度的物理意義溫度相等熱平衡11第十一頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期三2）熱力學(xué)第零定律：

如果兩個物體中的每一個都分別與第三個物體處于熱平衡，則這兩個物體彼此也必處于熱平衡。熱力學(xué)第零定律是溫度測量的理論依據(jù)。ABC3）溫標(biāo)：溫度的數(shù)值表示法。

建立溫標(biāo)的三個要素：

a.選擇溫度的固定點(diǎn)，規(guī)定其數(shù)值；b.確定溫度標(biāo)尺的分度方法和單位；c.選擇某隨溫度變化的物性作為溫度測量的依據(jù)。12第十二頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期三攝氏溫標(biāo):在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，純水的冰點(diǎn)溫度為0℃，純水的沸點(diǎn)溫度為100℃，純水的三相點(diǎn)（固、液、汽三相平衡共存的狀態(tài)點(diǎn)）溫度為0.01℃。瑞典天文學(xué)家攝爾修斯（Celsius）于1742年建立。用攝氏溫標(biāo)確定的溫度稱為攝氏溫度，用符號t表示，單位為℃。

選擇水銀的體積作為溫度測量的物性，認(rèn)為其隨溫度線性變化，并將0～100℃溫度下的體積差均分成100份，每份對應(yīng)1℃。

13第十三頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期三

用熱力學(xué)溫標(biāo)確定的溫度稱為熱力學(xué)溫度，用符號T

表示，單位為K（開）。熱力學(xué)溫標(biāo)（絕對溫標(biāo)）:

英國物理學(xué)家開爾文（Kelvin)在熱力學(xué)第二定律基礎(chǔ)上建立，也稱開爾文溫標(biāo)。熱力學(xué)溫標(biāo)取水的三相點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，并定義其溫度為273.16K。溫差1K相當(dāng)于水的三相點(diǎn)溫度的1/273.16。熱力學(xué)溫標(biāo)與攝氏溫標(biāo)的關(guān)系：溫差:1K=1℃t=T

–273.15K14第十四頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期三國際單位制（SI）采用熱力學(xué)溫度T作為基本狀態(tài)參數(shù)。4)

溫度的測量a.

接觸式水銀溫度計、酒精溫度計熱電偶、電阻溫度計等。b.

非接觸式光學(xué)輻射高溫計激光全息干涉儀CARS（相干反斯托克斯喇曼光譜）法15第十五頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期三（3）比體積定義：單位質(zhì)量的工質(zhì)所占有的體積，用符號v表示，單位為m3/kg。密度：單位體積工質(zhì)的質(zhì)量，用符號表示，單位為kg/m3。

比體積和密度二者相關(guān)，通常以比體積作為狀態(tài)參數(shù)。16第十六頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期三1-3

狀態(tài)方程與狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖（1）狀態(tài)公理對于和外界只有熱量和體積變化功（膨脹功或壓縮功）的簡單可壓縮系統(tǒng)，只需兩個獨(dú)立的參數(shù)（如p、v，p、T

或v、T）便可確定它的平衡狀態(tài)。

（2）狀態(tài)方程式表示狀態(tài)參數(shù)之間關(guān)系的方程式稱為狀態(tài)方程式。如：17第十七頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期三（3）狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖在以兩個獨(dú)立狀態(tài)參數(shù)為坐標(biāo)的平面坐標(biāo)圖上，每一點(diǎn)都代表一個平衡狀態(tài)。以獨(dú)立狀態(tài)參數(shù)為坐標(biāo)的坐標(biāo)圖。18第十八頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期三1-4

準(zhǔn)平衡過程和可逆過程

（1）熱力過程系統(tǒng)由一個狀態(tài)到達(dá)另一個狀態(tài)的變化過程。

19第十九頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期三（2）準(zhǔn)平衡過程（準(zhǔn)靜態(tài)過程）

所經(jīng)歷的每一個狀態(tài)都無限地接近平衡狀態(tài)的過程。在狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖上，準(zhǔn)平衡過程可以近似地用連續(xù)的實線表示。

在系統(tǒng)內(nèi)外的不平衡勢（如壓力差、溫度差等）較小、過程進(jìn)行較慢、弛豫時間非常短的情況下，可以將實際過程近似地看作準(zhǔn)平衡過程。pv1220第二十頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期三（3）可逆過程

如果系統(tǒng)完成了某一過程之后可以沿原路逆行回復(fù)到原來的狀態(tài)，并且不給外界留下任何變化，這樣的過程為可逆過程。實際過程都是不可逆過程，如傳熱、混合、擴(kuò)散、滲透、溶解、燃燒、電加熱等。可逆過程是一個理想過程。可逆過程的條件：準(zhǔn)平衡過程＋無耗散效應(yīng)。21第二十一頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期三1-5

功量與熱量

1.

功量與示功圖

(1)

膨脹功

工質(zhì)在體積膨脹時所作的功稱為膨脹功。

符號：W

單位：J

或kJ

對于微元可逆過程，對于可逆過程1～2：22第二十二頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期三單位質(zhì)量工質(zhì)所作的膨脹功用符號w

表示，單位為J/kg或kJ/kg。(2)

示功圖（p-v圖）

功是過程量而不是狀態(tài)量。膨脹：dv>0,w>0壓縮：dv<

0,w<0

w的大小可以p-v圖上的過程曲線下面的面積來表示。23第二十三頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期三2.

熱量與示熱圖

（1）熱量

系統(tǒng)與外界之間依靠溫差傳遞的能量稱為熱量，符號為Q

，單位為J

或kJ。

單位質(zhì)量工質(zhì)所傳遞的熱量用q

表示，單位為J/kg

或kJ/kg。熱量正負(fù)的規(guī)定：系統(tǒng)吸熱：q>0;系統(tǒng)放熱：q<0。

熱量和功量都是系統(tǒng)與外界在相互作用的過程中所傳遞的能量，都是過程量而不是狀態(tài)量

24第二十四頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期三

在可逆過程中，系統(tǒng)與外界交換的熱量與功量的計算公式具有相同的形式。

功量：熱量：

s

稱為比熵。比熵同比體積v

一樣是工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)。

比熵的定義式：

（可逆過程）比熵的單位為J/(kg·K)

或

kJ/(kg·K)

。25第二十五頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期三對于質(zhì)量為m的工質(zhì)，S為質(zhì)量為m的工質(zhì)的熵，單位是J